基于SOPC/FPGA嵌入式的高頻阻垢水處理器設計與開發(fā)*

崔旭晶,崔秀艷

(沈陽理工大學信息科學與工程學院,沈陽110015)

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基于SOPC/FPGA嵌入式的高頻阻垢水處理器設計與開發(fā)*

崔旭晶*,崔秀艷

(沈陽理工大學信息科學與工程學院,沈陽110015)

摘要:設計了一種基于SOPC/FPGA嵌入式技術的智能化高頻電磁場阻垢水處理器。該系統(tǒng)利用可編程芯片F(xiàn)PGA和以NiosⅡ嵌入式CPU為核心的SOPC系統(tǒng)作為信號處理和控制方法。設計由DDS芯片產(chǎn)生的高頻振蕩信號及其大功率功放電路,開發(fā)帶彩色觸摸屏的人機交互界面及各種控制功能,給出系統(tǒng)硬、軟件設計,實現(xiàn)了系統(tǒng)智能化設計和實時監(jiān)控功能。本設備科技含量高,具有實時監(jiān)控及智能控制強大、直觀和易于操作等特點。

關鍵詞:SOPC嵌入式;阻垢;高頻振蕩;DDS信號;功放;彩色觸摸屏

在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中廣泛使用著各類水系統(tǒng),它們以液態(tài)水為傳熱介質(zhì)進行熱量傳輸和交換。液態(tài)水容易在設備上結(jié)垢,結(jié)垢速率與水質(zhì)的硬度、流量等因素有關,通常情況下水垢以方解石結(jié)晶析出,質(zhì)地堅硬,牢固的黏結(jié)在器壁上,它的導熱性能很差,存在安全隱患,用水設備在使用過程中還存在鐵銹腐蝕和藻類滋生等現(xiàn)象,所以必須予以消除。這里研制了一款SOPC/FPGA嵌入式的智能高頻電磁場阻垢水處理器,它由高頻阻垢機和嵌入式控制系統(tǒng)構(gòu)成,具有較高的智能化操作和實時監(jiān)控功能。目前可見一些MCU控制的高頻電磁場設計[1-2],未見嵌入式的智能高頻電磁場設計文獻。

1　高頻電磁場阻垢技術原理

目前國內(nèi)外對高頻電磁場處理水的機理研究還處在探討階段,對有關物理參數(shù)的改變及機理尚無定論。近年來,通過研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn),管道水質(zhì)在電磁場能量的作用下,水分子會降低聚集力,不易形成大締合狀態(tài)的水分子團,通過電磁場而生成小締合態(tài)或單個水分子很容易被鈣、鎂離子所吸附,進而能夠阻止碳酸鹽微晶面的形成和生長,而且使得碳酸鹽分子團成為非晶狀的絮狀體,因此很容易被水流沖走。同時被高頻能量激活的水分子具有極強的侵潤和滲透性,極易在結(jié)垢層的微縫隙中做高頻振蕩,因此會使水垢松散、脫落,隨著微縫隙的不斷擴大,最終會將管壁水垢清洗干凈。同時研究還發(fā)現(xiàn),高頻電磁場水處理器亦能夠防止管壁的化學與電化學腐蝕,抑制微生物生長,具有防腐防銹、殺菌滅藻的功能[3-4]。

2　高頻阻垢機設計

高頻阻垢水處理器由SOPC控制系統(tǒng)、高頻阻垢機和被處理水系統(tǒng)構(gòu)成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中,高頻阻垢機由DDS高頻信號產(chǎn)生模塊、高頻振蕩及功放電路組成。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1DDS高頻信號產(chǎn)生模塊

高頻信號產(chǎn)生模塊是整個硬件控制單元的重要組成部分,這部分性能的好壞,直接關系到最終的水處理效果。要求高頻信號產(chǎn)生模塊能夠產(chǎn)生高頻率、穩(wěn)定的信號,且頻率能夠根據(jù)智能控制算法在一定頻率范圍內(nèi)進行快速切換。這里采用FPGA控制DDS芯片實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器,如圖2所示。

圖中DDS芯片采用市場上比較流行AD985X系列中的AD9850,它是AD公司生產(chǎn)的最高時鐘為125 MHz、采用先進CMOS技術的直接頻率合成器,芯片內(nèi)部主要由可編程DDS系統(tǒng)、高性能模數(shù)變換器(DAC)和高速比較器3部分構(gòu)成,能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。

可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器,由一個加法器和一個N位相位寄存器組成,N一般為24 bit～32 bit。每來一個外部參考時鐘,相位寄存器便以步長M遞加,相位寄存器的輸出與相位控制字相加后輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息,每一個地址對應正弦波中0°～360°范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號,然后驅(qū)動DAC輸出正弦模擬量。輸出的正弦波頻率fo=M·fc/2N,這里取參數(shù)值為:外部參考時鐘頻率fc=125 MHz,正弦波輸出頻率fo=0～10 MHz,相位寄存器N=32 bit,可求出頻率控制字M的值(由FPGA計算提供)。輸出信號最小頻率(分辨率)fomin=fo/2N,輸出信號最大頻率fo=fc/2N。

圖2　DDS高頻信號產(chǎn)生模塊

DAC滿量程輸出電流通過一個外接電阻RSET調(diào)節(jié),典型值為3.9 kΩ,此處為RW1=0～10 kΩ。將DAC的輸出經(jīng)低通濾波器平滑濾波后(見圖中上部分的切比雪夫濾波器),可以得到抖動很小的正弦波,正弦波經(jīng)內(nèi)部的高速比較器可轉(zhuǎn)換為方波[5-7]。AD9850有40 bit控制字,32 bit用于頻率控制(低32 bit),5 bit用于相位控制,1 bit用于電源休眠控制,2 bit用于選擇工作方式。這40 bit控制字由FPGA以串行方式輸入到AD9850,在串行輸入方式下,W-CLK上升沿把25引腳(40 bit的DATA數(shù)據(jù))的1 bit數(shù)據(jù)串行移入,當移動40 bit后,用一個FQ-UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。

FPGA經(jīng)過計算,給W_CLK、FQ_UD、DATA、RESET 4個引腳寫入指令,設置需要產(chǎn)生的頻率,再由IOUT、IOUTB引腳輸出兩路相位相差180°的正弦波信號,此時產(chǎn)生的正弦波頻率為0～10 MHz、峰峰值為1 V。

2.2高頻振蕩及功率放大電路

由DDS模塊產(chǎn)生的高頻正弦信號幅值較低,只有峰峰值1V,需要進一步放大到峰峰值70 V～90 V、功率100 W的大功率可調(diào)信號。高頻振蕩及功率放大電路如圖3所示,它由三極管一級推挽放大電路和MOS管二級功率放大電路組成,經(jīng)過線圈耦合將信號輸出,最后得到阻垢所需要的大功率高頻振蕩信號。圖示為兩通道電路,其結(jié)構(gòu)相同。

為了驅(qū)動各種管子,正弦輸入信號需適當放大后,先接入三極管推挽前置放大電路中,三極管放大電路是電壓跟隨器,可把電流放大,經(jīng)過第1、2級推挽電流前置放大后,再接入功率放大電路中,MOS功率管(均為TMOS管)接成共源級放大電路形式,具有電壓、電流放大作用,經(jīng)過2個MOS管互補功放的耦合輸出,最終得到峰峰值70 V～90 V、功率100 W的高頻振蕩信號。

由于水處理器的工作頻率比較高,一般為5 MHz、6 MHz,為了降低鐵芯損耗,采用空氣耦合的空心變壓器作為輸出變壓器。變壓器副邊分為兩路,一路接電路正常工作的指示燈LED2,另一路通過設備接口CN5接水處理器輔機中的四氟電極(發(fā)出高頻振蕩),可調(diào)負載電容CW1、CW2為0～50 pF,負載電容100 pF～700 pF。

圖3　高頻振蕩及功率放大電路

3　SOPC控制系統(tǒng)設計

SOPC控制系統(tǒng)包括帶觸摸屏高頻阻垢系統(tǒng)人機交互界面設計、各種控制功能和實時監(jiān)控功能實現(xiàn)。開發(fā)板采用ALTERA公司EP3C40 FPGA開發(fā)套件V6工作平臺,FPGA器件為EP3C40F484C6。SOPC控制系統(tǒng)框圖如圖4所示,為了完成復雜的系統(tǒng)控制功能,需要使用QuartusⅡ9.1中的SOPC Builder配置完整系統(tǒng)組件[8-9],包括NiosⅡCPU、JTAG UART、DDR2控制器、CFI控制器、LCD顯示驅(qū)動及觸摸控制IP核(自定義)、定時器、鎖相環(huán)和PIO并行輸入/輸出等。系統(tǒng)采用AVALON總線傳輸規(guī)則,所有設備模塊都經(jīng)過總線相互訪問。圖中粗實心雙向箭頭線表示模塊間數(shù)據(jù)傳輸線路,細箭頭線表示部分模塊間訪問權限及規(guī)則方式。

圖4　SOPC控制系統(tǒng)框圖

3.1觸摸屏操作界面設計

觸摸屏操作界面包括4個:用戶幫助界面、環(huán)境狀態(tài)輸入界面、鍵盤輸入界面和功能控制界面,依次如圖5所示,這些界面圖片的顯示與操作,采用C語言編程并與SOPC Builder組件相結(jié)合來實現(xiàn)。用戶幫助界面指導用戶如何操作該設備;環(huán)境狀態(tài)輸入界面用于輸入當前環(huán)境情況,如:使用壓力、水溫、工作頻率、功放數(shù)目、環(huán)境溫度及濕度等;鍵盤輸入界面用來輸入數(shù)值;功能控制界面可以控制設備頻率及功放機開關,如:頻率選擇、功率選擇、參數(shù)設定等,實現(xiàn)功能控制。

圖5　觸摸屏操作界面

圖6　系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和裝置結(jié)構(gòu)圖(兩通道)

3.2軟件設計及調(diào)試

(1)基于32 bit avalon總線傳輸RGB數(shù)據(jù)流設計

要實現(xiàn)顯存數(shù)據(jù)的讀寫操作,需把圖片數(shù)據(jù)生成圖片RGB數(shù)據(jù),再將RGB數(shù)據(jù)通過總線傳輸?shù)斤@存當中,這需要符合總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸規(guī)則,在軟件中就是要實現(xiàn)Avalon總線地址對齊,即本地地址對齊與動態(tài)地址對齊。

(2)圖片顯示與界面載入實現(xiàn)

當需要顯示界面時,CPU會在短時間內(nèi)向顯存所在地址連續(xù)寫入大量RGB數(shù)據(jù),此數(shù)據(jù)寫滿一屏時,CPU終止向顯存寫入數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)而向顯示驅(qū)動發(fā)送,包括顯存起始地址、顯存地址范圍、使能信號、顯示開始信號等,使顯示驅(qū)動工作,然后CPU進入觸摸信號檢測來執(zhí)行下一項操作。其他各界面的顯示原理與用戶幫助界面顯示原理相同。

(3)觸摸控制功能實現(xiàn)

設計中需要通過觸摸來實現(xiàn)控制功能。當觸摸屏幕時,觸摸屏會向系統(tǒng)PIO口反饋一個觸摸有效值,此值會和觸摸時間同步,系統(tǒng)通過讀取當前PIO口值,來確定是否執(zhí)行當前功能。

(4)NiosⅡIDE9.1軟件調(diào)試及下載

運行NiosⅡIDE軟件,在新建工程中,添加QuartusⅡ9.1硬件系統(tǒng)工程所在目錄的ptf文件,選擇Hello world作為模版,完成軟件工程的創(chuàng)建,再配置工程的系統(tǒng)屬性,將軟件代碼替換工程中的hello world代碼,編譯程序,然后在線運行當前程序,驗證其功能,最后下載系統(tǒng)到Flash,保證系統(tǒng)關電后,開機時Flash自動將配置信息讀出送給EPCS,使器件脫機工作[10]。

4　系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及裝置結(jié)構(gòu)

嵌入式高頻阻垢系統(tǒng)由高頻阻垢機與SOPC控制系統(tǒng)相連構(gòu)成,如圖6左側(cè)所示。將開發(fā)板的外接引腳與高頻阻垢機相連,然后將高頻阻垢機與示波器相連,打開高頻阻垢機的開關電源,再打開開發(fā)板電源,完成高頻阻垢機與開發(fā)板上電,此時系統(tǒng)已經(jīng)運行,按照顯示操作運行控制系統(tǒng),可以查看到高頻振蕩的正弦輸出波形。

高頻阻垢水處理器由主機——帶觸摸屏的大功率高頻信號發(fā)生器、輔機——帶四氟電極的水處理室、進水口法蘭和出水口法蘭組成,如圖6右側(cè)所示。2個法蘭用于輔機與安裝設備的管道相連,主機和輔機可做成一體式或分體式,主機和輔機之間用同軸電纜連接。經(jīng)過調(diào)試運行和實際使用,高頻阻垢水處理器可達到的技術指標為:使用壓力10 kg·F/cm2～16 kg·F/cm2,每通道輸出功率100 W(共4通道),可調(diào)頻率范圍0～10 MHz,最佳工作頻率5 MHz、6 MHz,正弦波輸出電壓70 V～90 V(p-p),電源電壓220 V/380 V(50 Hz/60 Hz),進出水口直徑不限,水流量、硬度不限,工作溫度≤200 ℃,環(huán)境溫度≤50 ℃,相對濕度<90%,阻垢率≥95%。

5　結(jié)語

嵌入式高頻阻垢水處理器具有功能強大、實時監(jiān)控、易于觀察和反饋信息量大等特點。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試和實際使用,達到了相應技術要求,取得較好的阻垢效果,實現(xiàn)了產(chǎn)品的智能化設計,是高頻電磁阻垢設備中科技含量較高的新產(chǎn)品,可作為這類設備的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

參考文獻:

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[10]Altera Corp.NiosⅡ Software Developer’s Handbook[DB/OL].http//:www.altera.com.cn,2007.

崔旭晶(1964-),女,漢族,天津市人,沈陽理工大學信息科學與工程學院,副教授,碩士,研究方向為嵌入式技術、集成電路設計,xujing-1019@163.com。

BasedonSOPC/FPGAEmbeddedHigh-FrequencyScaleInhibitionWaterProcessorDesignandDevelopment*

CUIXujing*,CUIXiuyan

(School of Information Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110015,China)

Abstract:Based on SOPC/FPGA embedded technology,intelligent high frequency electromagnetic field scale inhibition water processor was designed.The system uses programmable chip FPGA and Nios Ⅱ embedded CPU in the core of the SOPC system as the signal processing and control methods.The high-frequency oscillation signal is generated by DDS chip and the power amplifier circuit is designed.It is developed with color touch-screen interactive interface and a variety of control functions.The hardware and software designs of the system are given out,and an intelligent design system and the real-time monitoring functionality are achieved.The high-tech equipment have real-time monitoring and intelligent control functions with powerful,intuitive features and it is easy to operate.

Key words:SOPC embedded;scale inhibition;figh-frequency oscillation;DDS signal;power amplifier;color touch-screen

doi:EEACC:772010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.029

中圖分類號:TP368;TQ085

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0932-05

收稿日期:2013-09-03修改日期:2013-09-29

項目來源:遼寧省教育廳高校科研計劃項目(L2010482)